KR20240150099A - Switching converter equipped with negative current tracking control - Google Patents
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Abstract
본 발명은 네거티브 인덕터 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 스위칭 컨버터에 관한 것이다.
본 발명은 드레인이 입력전원에 연결된 스위칭 트랜지스터, 드레인이 상기 스위칭 트랜지스터의 소오스에 연결되고 소오스가 그라운드에 연결된 정류 트랜지스터, 일단이 상기 스위칭 트랜지스터의 소오스와 상기 정류 트랜지스터의 드레인에 공통 연결된 인덕터, 일단이 상기 인덕터의 타단에 연결되고 타단이 그라운드에 연결된 출력 커패시터, 상기 스위칭 트랜지스터의 게이트와 상기 정류 트랜지스터의 게이트로 PWM 제어신호를 출력하는 PWM 제어기, 상기 인덕터를 흐르는 인덕터 전류의 제로 크로싱(Zero Crossing)을 감지하는 영전류 검출기 및 상기 영전류 검출기의 옵셋을 가변적으로 조절하는 네거티브 전류 트래킹 제어기를 포함한다.
본 발명에 따르면, 스위칭 컨버터에 대한 불연속 전도 모드(Discontinuous Conduction Mode, DCM) 구동 동작의 무부하(no load) 및 경부하(light load) 구간에서 네거티브 인덕터 전류(negative inductor current)를 허용하고 레귤레이션(regulation)에 요구되는 네거티브 인덕터 전류를 효과적으로 제어하여 최소화함으로써 스위칭 컨버터의 효율을 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a switching converter having a negative inductor current tracking control function.
The present invention includes a switching transistor having a drain connected to an input power supply, a rectifier transistor having a drain connected to a source of the switching transistor and a source connected to ground, an inductor having one end commonly connected to the source of the switching transistor and the drain of the rectifier transistor, an output capacitor having one end connected to the other end of the inductor and the other end connected to ground, a PWM controller outputting a PWM control signal to the gate of the switching transistor and the gate of the rectifier transistor, a zero current detector detecting a zero crossing of an inductor current flowing in the inductor, and a negative current tracking controller variably adjusting an offset of the zero current detector.
According to the present invention, the efficiency of a switching converter can be improved by allowing negative inductor current in the no load and light load sections of a discontinuous conduction mode (DCM) driving operation for the switching converter and effectively controlling and minimizing the negative inductor current required for regulation.
Description
본 발명은 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 스위칭 컨버터에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 벅 타입 또는 부스트 타입의 동기 스위칭 컨버터에 대한 불연속 전도 모드(Discontinuous Conduction Mode, DCM) 구동 동작의 무부하(no load) 및 경부하(light load) 구간에서 네거티브 인덕터 전류(negative inductor current)를 허용하고 레귤레이션(regulation)에 요구되는 네거티브 인덕터 전류를 효과적으로 제어하여 최소화함으로써 효율을 향상시킬 수 있는 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 스위칭 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to a switching converter having a negative current tracking control function. More specifically, the present invention relates to a switching converter having a negative current tracking control function, which can improve efficiency by allowing negative inductor current in a no load and light load section of a discontinuous conduction mode (DCM) driving operation for a buck type or boost type synchronous switching converter and effectively controlling and minimizing negative inductor current required for regulation.
일반적으로 스위칭 컨버터의 무부하(no load) 및 경부하(light load) 영역의 구동이 필요한 경우 레귤레이선(regulation) 유지를 위해 펄스 스킵(pulse skip) 방식 또는 고정된 네거티브 인덕터 전류(fixed negative inductor current)를 허용하여 동작하는 불연속 전도 모드(Discontinuous Conduction Mode, DCM) 방식이 사용되고 있다.In general, when driving a switching converter in the no-load and light load areas is required, a pulse skip method or a discontinuous conduction mode (DCM) method that allows operation by allowing a fixed negative inductor current is used to maintain regulation.
펄스 스킵의 경우 과도 응답(transient response) 특성이 저하되어 출력 리플(output ripple)에 민감(sensitive)한 어플리케이션(application)에는 사용이 어려다는 문제점이 있다.In the case of pulse skipping, there is a problem that the transient response characteristics are degraded, making it difficult to use in applications that are sensitive to output ripple.
또한 고정된 네거티브 인덕터 전류를 허용하는 DCM 방식의 경우 입/출력 전압에 따라 필요 이상의 네거티브 인덕터 전류가 발생할 수 있으며, 이에 따른 인덕터 전류 리플(inductor current ripple)의 증가로 컨버터의 효율이 감소한다는 문제점이 있다.In addition, in the case of the DCM method that allows a fixed negative inductor current, there is a problem that an excessive negative inductor current may be generated depending on the input/output voltage, and the efficiency of the converter decreases due to an increase in inductor current ripple.
본 발명의 기술적 과제는 스위칭 컨버터에 대한 불연속 전도 모드(Discontinuous Conduction Mode, DCM) 구동 동작의 무부하(no load) 및 경부하(light load) 구간에서 네거티브 인덕터 전류(negative inductor current)를 허용하고 레귤레이션(regulation)에 요구되는 네거티브 인덕터 전류를 효과적으로 제어하여 최소화함으로써 스위칭 컨버터의 효율을 향상시키는 것이다.The technical problem of the present invention is to improve the efficiency of a switching converter by allowing negative inductor current in the no load and light load sections of a discontinuous conduction mode (DCM) driving operation for the switching converter and effectively controlling and minimizing the negative inductor current required for regulation.
또한, 본 발명의 기술적 과제는 펄스 스킨 기능(pulse skip function)을 사용할 수 없는 출력 리플(output ripple)에 민감(sensitive)한 어플리케이션(application)에서 고정된 네거티브 인덕터 전류(fixed negative inductor current) DCM 방식의 단점인 효율 감소를 개선하는 것이다.In addition, the technical challenge of the present invention is to improve the efficiency reduction, which is a disadvantage of the fixed negative inductor current DCM method, in applications sensitive to output ripple where the pulse skip function cannot be used.
또한, 본 발명의 기술적 과제는 입/출력 전압에 따라 DCM 동작을 위해 요구되는 최소한의 네거티브 인덕터 전류를 허용하는 네거티브 인덕터 전류 트래킹 제어(negative inductor current tracking control) 기능을 적용하여 인덕터 전류 리플(inductor current ripple)을 감소시키고 전체적인 스위칭 컨버터 시스템의 효율을 향상시키는 것이다.In addition, the technical task of the present invention is to reduce inductor current ripple and improve the efficiency of the overall switching converter system by applying a negative inductor current tracking control function that allows the minimum negative inductor current required for DCM operation depending on the input/output voltage.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따른 스위칭 컨버터는 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 벅 타입의 스위칭 컨버터로서, 드레인이 입력전원에 연결된 스위칭 트랜지스터, 드레인이 상기 스위칭 트랜지스터의 소오스에 연결되고 소오스가 그라운드에 연결된 정류 트랜지스터, 일단이 상기 스위칭 트랜지스터의 소오스와 상기 정류 트랜지스터의 드레인에 공통 연결된 인덕터, 일단이 상기 인덕터의 타단에 연결되고 타단이 그라운드에 연결된 출력 커패시터, 상기 스위칭 트랜지스터의 게이트와 상기 정류 트랜지스터의 게이트로 PWM 제어신호를 출력하는 PWM 제어기, 상기 인덕터를 흐르는 인덕터 전류의 제로 크로싱(Zero Crossing)을 감지하는 영전류 검출기 및 상기 영전류 검출기의 옵셋을 가변적으로 조절하는 네거티브 전류 트래킹 제어기를 포함한다.According to a first aspect of the present invention for solving these technical problems, a switching converter is a buck-type switching converter equipped with a negative current tracking control function, comprising: a switching transistor having a drain connected to an input power supply; a rectifier transistor having a drain connected to a source of the switching transistor and a source connected to ground; an inductor having one end commonly connected to the source of the switching transistor and the drain of the rectifier transistor; an output capacitor having one end connected to the other end of the inductor and the other end connected to ground; a PWM controller outputting a PWM control signal to the gate of the switching transistor and the gate of the rectifier transistor; a zero current detector detecting a zero crossing of an inductor current flowing in the inductor; and a negative current tracking controller variably adjusting an offset of the zero current detector.
본 발명의 제2 측면에 따른 스위칭 컨버터는 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 부스트 타입의 스위칭 컨버터로서, 일단이 입력전원에 연결된 인덕터, 드레인이 상기 인덕터의 타단에 연결되고 소오스가 그라운드에 연결된 스위칭 트랜지스터, 드레인이 상기 스위칭 트랜지스터의 드레인과 상기 인덕터의 타단에 공통 연결된 정류 트랜지스터, 일단이 상기 정류 트랜지스터의 소오스에 연결되고 타단이 그라운드에 연결된 출력 커패시터, 상기 스위칭 트랜지스터의 게이트와 상기 정류 트랜지스터의 게이트로 PWM 제어신호를 출력하는 PWM 제어기, 상기 인덕터를 흐르는 인덕터 전류의 제로 크로싱(Zero Crossing)을 감지하는 영전류 검출기 및 상기 영전류 검출기의 옵셋을 가변적으로 조절하는 네거티브 전류 트래킹 제어기를 포함한다.A switching converter according to a second aspect of the present invention is a boost type switching converter having a negative current tracking control function, comprising: an inductor having one end connected to an input power supply, a switching transistor having a drain connected to the other end of the inductor and a source connected to ground, a rectifier transistor having a drain commonly connected to the drain of the switching transistor and the other end of the inductor, an output capacitor having one end connected to the source of the rectifier transistor and the other end connected to ground, a PWM controller outputting a PWM control signal to the gate of the switching transistor and the gate of the rectifier transistor, a zero current detector detecting a zero crossing of an inductor current flowing in the inductor, and a negative current tracking controller variably adjusting an offset of the zero current detector.
본 발명의 양 측면에 따른 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 스위칭 컨버터에 있어서, 상기 네거티브 전류 트래킹 제어기는 입력되는 클럭에 따라 제1 타임 윈도우를 갖는 제1 펄스를 생성하는 제1 펄스 생성기, 상기 클럭에 따라 상기 제1 타임 윈도우보다 큰 제2 타임 윈도우를 갖는 제2 펄스를 생성하는 제2 펄스 생성기 및 상기 PWM 제어기로부터 입력받는 리셋신호를 모니터링하고, 상기 제1 펄스의 제1 타임 윈도우와 상기 제2 펄스의 제2 타임 윈도우를 비교하여 상기 영전류 검출기의 반전 단자에 인가되는 옵셋을 가변적으로 변경함으로써 상기 인덕터를 흐르는 네거티브 인덕터 전류의 옵셋의 증감 여부를 결정하여 상기 네거티브 인덕터 전류를 트래킹하는 타이밍 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.In a switching converter having a negative current tracking control function according to both aspects of the present invention, the negative current tracking controller is characterized by including a first pulse generator which generates a first pulse having a first time window according to an input clock, a second pulse generator which generates a second pulse having a second time window larger than the first time window according to the clock, and a timing controller which monitors a reset signal input from the PWM controller, compares the first time window of the first pulse with the second time window of the second pulse, and variably changes an offset applied to an inverting terminal of the zero current detector to determine whether an offset of the negative inductor current flowing through the inductor increases or decreases, thereby tracking the negative inductor current.
본 발명의 양 측면에 따른 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 스위칭 컨버터에 있어서, 상기 타이밍 제어기는, 상기 제1 타임 윈도우에 해당하는 제1 구간 동안, 상기 영전류 검출기의 반전 단자에 인가되는 옵셋을 증가시키는 것을 특징으로 한다.In a switching converter having a negative current tracking control function according to both aspects of the present invention, the timing controller is characterized in that it increases an offset applied to an inverting terminal of the zero current detector during a first section corresponding to the first time window.
본 발명의 양 측면에 따른 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 스위칭 컨버터에 있어서, 상기 제1 타임 윈도우에 해당하는 제1 구간 동안, 상기 인덕터의 피크 전류는 고정되고, 상기 네거티브 인덕터 전류는 증가하는 것을 특징으로 한다.In a switching converter having a negative current tracking control function according to both aspects of the present invention, the peak current of the inductor is fixed and the negative inductor current increases during a first section corresponding to the first time window.
본 발명의 양 측면에 따른 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 스위칭 컨버터에 있어서, 상기 타이밍 제어기는 상기 제2 타임 윈도우에 해당하는 제2 구간 동안, 상기 영전류 검출기의 반전 단자에 인가되는 옵셋을 고정시키는 것을 특징으로 한다.In a switching converter having a negative current tracking control function according to both aspects of the present invention, the timing controller is characterized in that it fixes an offset applied to the inverting terminal of the zero current detector during a second section corresponding to the second time window.
본 발명의 양 측면에 따른 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 스위칭 컨버터에 있어서, 상기 제2 타임 윈도우에 해당하는 제2 구간 동안, 상기 인덕터의 피크 전류는 상기 PWM 제어기에 의한 PWM에 의해 결정되고, 상기 네거티브 인덕터 전류는 고정되는 것을 특징으로 한다.In a switching converter having a negative current tracking control function according to both aspects of the present invention, during a second section corresponding to the second time window, the peak current of the inductor is determined by a PWM by the PWM controller, and the negative inductor current is fixed.
본 발명의 양 측면에 따른 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 스위칭 컨버터에 있어서, 상기 타이밍 제어기는 상기 제2 타임 윈도우 이후의 제3 구간 동안, 상기 영전류 검출기의 반전 단자에 인가되는 옵셋을 감소시키는 것을 특징으로 한다.In a switching converter having a negative current tracking control function according to both aspects of the present invention, the timing controller is characterized in that it reduces an offset applied to the inverting terminal of the zero current detector during a third period after the second time window.
본 발명의 양 측면에 따른 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 스위칭 컨버터에 있어서, 상기 제3 구간 동안, 상기 인덕터의 피크 전류는 상기 PWM 제어기에 의한 PWM에 의해 결정되고, 상기 네거티브 인덕터 전류는 감소하는 것을 특징으로 한다.In a switching converter having a negative current tracking control function according to both aspects of the present invention, during the third section, the peak current of the inductor is determined by PWM by the PWM controller, and the negative inductor current is characterized in that it decreases.
본 발명에 따르면, 스위칭 컨버터에 대한 불연속 전도 모드(Discontinuous Conduction Mode, DCM) 구동 동작의 무부하(no load) 및 경부하(light load) 구간에서 네거티브 인덕터 전류(negative inductor current)를 허용하고 레귤레이션(regulation)에 요구되는 네거티브 인덕터 전류를 효과적으로 제어하여 최소화함으로써 스위칭 컨버터의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, there is an effect of improving the efficiency of a switching converter by allowing negative inductor current in the no load and light load sections of a discontinuous conduction mode (DCM) driving operation for a switching converter and effectively controlling and minimizing the negative inductor current required for regulation.
또한, 펄스 스킨 기능(pulse skip function)을 사용할 수 없는 출력 리플(output ripple)에 민감(sensitive)한 어플리케이션(application)에서 고정된 네거티브 인덕터 전류(fixed negative inductor current) DCM 방식의 단점인 효율 감소를 개선할 수 있는 효과가 있다.In addition, it has the effect of improving the efficiency reduction, which is a disadvantage of the fixed negative inductor current DCM method, in applications sensitive to output ripple where the pulse skip function cannot be used.
또한, 입/출력 전압에 따라 DCM 동작을 위해 요구되는 최소한의 네거티브 인덕터 전류를 허용하는 네거티브 인덕터 전류 트래킹 제어(negative inductor current tracking control) 기능을 적용하여 인덕터 전류 리플(inductor current ripple)을 감소시키고 전체적인 스위칭 컨버터 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, by applying a negative inductor current tracking control function that allows the minimum negative inductor current required for DCM operation depending on the input/output voltage, it is possible to reduce inductor current ripple and improve the efficiency of the overall switching converter system.
도 1은 일반적인 벅(Buck) 타입의 동기 스위칭 컨버터를 나타낸 도면이고,
도 2는 일반적인 부스트(Boost) 타입의 동기 스위칭 컨버터를 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 벅 타입의 스위칭 컨버터를 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 부스트 타입의 스위칭 컨버터를 나타낸 도면이고,
도 5는 스위칭 컨버터의 인덕터 전류 및 영전류 검출 원리를 설명하기 위한 도면이고,
도 6은 본 발명의 실시 예들에 있어서, 네거티브 전류 트래킹 제어기를 예시적으로 나타낸 도면이고,
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시 예들에 있어서, 네거티브 전류 트래킹 제어기의 동작 방식을 설명하기 위한 도면이고,
도 9 내지 도 11은 본 발명의 실시 예들에 있어서, 네거티브 전류 트래킹 제어에 따른 인덕터 전류와 부하 전류의 상관 관계를 동작 구간별로 설명하기 위한 도면이고,
도 12는 고정된 네거티브 인덕터 전류(fixed negative inductor current)를 사용하는 일반적인 스위칭 컨버터의 인덕터 전류 특성을 설명하기 위한 도면이고,
도 13은 네거티브 인덕터 전류 트래킹 제어(negative inductor current tracking control) 기능이 구비된 본 발명의 실시 예들에 따른 스위칭 컨버터의 인덕터 전류 특성을 설명하기 위한 도면이다.Figure 1 is a diagram showing a typical buck type synchronous switching converter.
Figure 2 is a drawing showing a typical boost type synchronous switching converter.
FIG. 3 is a drawing showing a buck type switching converter equipped with a negative current tracking control function according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a drawing showing a boost type switching converter equipped with a negative current tracking control function according to a second embodiment of the present invention.
Figure 5 is a diagram for explaining the inductor current and zero current detection principles of a switching converter.
FIG. 6 is a drawing exemplarily showing a negative current tracking controller according to embodiments of the present invention.
FIG. 7 and FIG. 8 are drawings for explaining the operation method of the negative current tracking controller in embodiments of the present invention.
FIGS. 9 to 11 are diagrams for explaining the correlation between the inductor current and the load current according to the negative current tracking control for each operating section in embodiments of the present invention.
Figure 12 is a diagram for explaining the inductor current characteristics of a typical switching converter using a fixed negative inductor current.
FIG. 13 is a diagram for explaining the inductor current characteristics of a switching converter according to embodiments of the present invention having a negative inductor current tracking control function.
본 명세서에 개시된 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.Any specific structural or functional descriptions of embodiments according to the concept of the present invention disclosed in this specification are merely illustrative for the purpose of explaining embodiments according to the concept of the present invention, and embodiments according to the concept of the present invention may be implemented in various forms and are not limited to the embodiments described in this specification.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Since embodiments according to the concept of the present invention can have various changes and can have various forms, embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the present specification. However, this is not intended to limit embodiments according to the concept of the present invention to specific disclosed forms, but includes all modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms defined in commonly used dictionaries, such as those defined in common use dictionaries, should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning they have in the context of the relevant art, and shall not be interpreted in an idealized or overly formal sense, unless explicitly defined herein.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 일반적인 벅(Buck) 타입의 동기 스위칭 컨버터를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 벅 타입의 스위칭 컨버터를 나타낸 도면이고, 도 5는 벅 타입 스위칭 컨버터의 인덕터 전류 및 영전류 검출 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 벅 타입의 스위칭 컨버터에 있어서, 네거티브 전류 트래킹 제어기(40)를 예시적으로 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a diagram showing a general buck type synchronous switching converter, FIG. 3 is a diagram showing a buck type switching converter equipped with a negative current tracking control function according to a first embodiment of the present invention, FIG. 5 is a diagram explaining the inductor current and zero current detection principles of a buck type switching converter, and FIG. 6 is a diagram showing an example of a negative current tracking controller (40) in a buck type switching converter equipped with a negative current tracking control function according to the first embodiment of the present invention.
도 1에 예시된 일반적인 벅(Buck) 타입의 동기 스위칭 컨버터와 도 3에 예시된 본 발명의 제1 실시 예에 따른 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 벅 타입의 스위칭 컨버터의 차이는 영전류 검출기(20)의 옵셋(30)을 가변적으로 조절하는 네거티브 전류 트래킹 제어기(40)에 있으며, 나머지 구성요소는 동일하다. 따라서, 이하에서는, 본 발명의 제1 실시 예에 초점을 맞춰 설명한다.The difference between the general buck type synchronous switching converter illustrated in Fig. 1 and the buck type switching converter equipped with a negative current tracking control function according to the first embodiment of the present invention illustrated in Fig. 3 lies in the negative current tracking controller (40) that variably adjusts the offset (30) of the zero current detector (20), and the remaining components are the same. Therefore, the following description focuses on the first embodiment of the present invention.
도 3, 도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 벅 타입의 스위칭 컨버터는 스위칭 트랜지스터(M1), 정류 트랜지스터(M2), 인덕터(L), 출력 커패시터(Cout), PWM 제어기(10), 영전류 검출기(20) 및 네거티브 전류 트래킹 제어기(40)를 포함하여 구성된다.Referring to FIGS. 3, 5 and 6, a buck type switching converter equipped with a negative current tracking control function according to a first embodiment of the present invention is configured to include a switching transistor (M1), a rectifier transistor (M2), an inductor (L), an output capacitor (Cout), a PWM controller (10), a zero current detector (20) and a negative current tracking controller (40).
스위칭 트랜지스터(M1)의 드레인은 입력전원에 연결되어 있고, 스위칭 트랜지스터(M1)의 소오스는 정류 트랜지스터(M2)의 드레인과 인턱터의 일단에 공통 연결되어 있다.The drain of the switching transistor (M1) is connected to the input power supply, and the source of the switching transistor (M1) is commonly connected to the drain of the rectifier transistor (M2) and one end of the inductor.
정류 트랜지스터(M2)의 드레인은 스위칭 트랜지스터(M1)의 소오스에 연결되어 있고, 정류 트랜지스터(M2)의 소오스는 그라운드에 연결되어 있다.The drain of the rectifier transistor (M2) is connected to the source of the switching transistor (M1), and the source of the rectifier transistor (M2) is connected to ground.
인덕터(L)의 일단은 스위칭 트랜지스터(M1)의 소오스와 정류 트랜지스터(M2)의 드레인에 공통 연결되어 있고, 인덕터(L)의 타단은 출력 커패시터(Cout)의 일단에 연결되어 있다.One end of the inductor (L) is commonly connected to the source of the switching transistor (M1) and the drain of the rectifier transistor (M2), and the other end of the inductor (L) is connected to one end of the output capacitor (Cout).
출력 커패시터(Cout)의 일단은 인덕터(L)의 타단에 연결되어 있고, 출력 커패시터(Cout)의 타단은 그라운드에 연결되어 있다.One end of the output capacitor (Cout) is connected to the other end of the inductor (L), and the other end of the output capacitor (Cout) is connected to ground.
PWM 제어기(10)는 스위칭 트랜지스터(M1)의 게이트와 정류 트랜지스터(M2)의 게이트로 PWM 제어신호를 출력한다.The PWM controller (10) outputs a PWM control signal to the gate of the switching transistor (M1) and the gate of the rectifier transistor (M2).
도면 부호 D1은 PWM 제어기(10)가 출력하는 PWM 제어신호에 따라 스위칭 트랜지스터(M1)를 구동하는 스위칭 드라이버이고, 도면 부호 D2는 PWM 제어기(10)가 출력하는 PWM 제어신호에 따라 정류 트랜지스터(M2)를 구동하는 정류 드라이버이다.Drawing symbol D1 is a switching driver that drives a switching transistor (M1) according to a PWM control signal output by a PWM controller (10), and drawing symbol D2 is a commutation driver that drives a commutation transistor (M2) according to a PWM control signal output by a PWM controller (10).
영전류 검출기(20)는 인덕터(L)를 흐르는 인덕터 전류의 제로 크로싱(Zero Crossing)을 감지한다.The zero current detector (20) detects the zero crossing of the inductor current flowing through the inductor (L).
도 5의 예시를 참조하면, 스위칭 트랜지스터(M1)가 턴온되는 구간(1)에서 인덕터 전류는 상승하고, 스위칭 트랜지스터(M1)가 턴오프되고 정류 트랜지스터(M2)가 턴온되는 구간(2)에서 인덕터 전류는 하강하며, 이 구간에서 정류 트랜지스터(M2)의 턴온 시간에 따라 인덕터 전류의 제로 크로싱이 발생할 수 있다. 스위칭 트랜지스터(M1)와 정류 트랜지스터(M2)가 모두 턴오프되는 구간(3)에서 스위칭 트랜지스터(M1)의 바디 다이오드가 턴온되며, 인덕터 전류는 스위칭 트랜지스터(M1)의 바디 다이오드를 통하여 흐른다.Referring to the example of Fig. 5, in a section (1) in which the switching transistor (M1) is turned on, the inductor current increases, and in a section (2) in which the switching transistor (M1) is turned off and the rectifier transistor (M2) is turned on, the inductor current decreases, and in this section, a zero crossing of the inductor current may occur depending on the turn-on time of the rectifier transistor (M2). In a section (3) in which both the switching transistor (M1) and the rectifier transistor (M2) are turned off, the body diode of the switching transistor (M1) is turned on, and the inductor current flows through the body diode of the switching transistor (M1).
네거티브 전류 트래킹 제어기(40)는 영전류 검출기(20)의 옵셋(30)을 가변적으로 조절한다.The negative current tracking controller (40) variably adjusts the offset (30) of the zero current detector (20).
예를 들어, 도 6의 예시를 참조하면, 네거티브 전류 트래킹 제어기(40)는 제1 펄스 생성기(410), 제2 펄스 생성기(420) 및 타이밍 제어기(430)를 포함하여 구성될 수 있다.For example, referring to the example of FIG. 6, the negative current tracking controller (40) may be configured to include a first pulse generator (410), a second pulse generator (420), and a timing controller (430).
제1 펄스 생성기(410)는 입력되는 클럭에 따라 제1 타임 윈도우를 갖는 제1 펄스를 생성한다.The first pulse generator (410) generates a first pulse having a first time window according to an input clock.
제2 펄스 생성기(420)는 상기 클럭에 따라 제1 타임 윈도우보다 큰 제2 타임 윈도우를 갖는 제2 펄스를 생성한다.The second pulse generator (420) generates a second pulse having a second time window larger than the first time window according to the clock.
타이밍 제어기(430)는 PWM 제어기(10)로부터 입력받는 리셋신호를 모니터링하고, 제1 펄스 생성기(410)에 의해 생성된 제1 펄스의 제1 타임 윈도우와 제2 펄스 생성기(420)에 의해 생성된 제2 펄스의 제2 타임 윈도우를 비교하여 영전류 검출기(20)의 반전 단자에 인가되는 옵셋(30)을 가변적으로 변경함으로써 인덕터(L)를 흐르는 네거티브 인덕터 전류의 옵셋(30)의 증감 여부를 결정하여 네거티브 인덕터 전류를 트래킹한다.The timing controller (430) monitors a reset signal input from the PWM controller (10), compares a first time window of a first pulse generated by a first pulse generator (410) and a second time window of a second pulse generated by a second pulse generator (420), and variably changes an offset (30) applied to an inverting terminal of a zero current detector (20), thereby determining whether an offset (30) of a negative inductor current flowing through an inductor (L) increases or decreases, thereby tracking the negative inductor current.
이하에서는, 도 7 내지 도 13을 추가로 참조하여, 본 발명의 제1 실시 예에 적용되는 네거티브 전류 트래킹 제어기(40)의 구체적인 동작을 종래 기술과 대비하여 설명한다.Hereinafter, with additional reference to FIGS. 7 to 13, the specific operation of the negative current tracking controller (40) applied to the first embodiment of the present invention will be described in comparison with the prior art.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시 예들에 있어서, 네거티브 전류 트래킹 제어기(40)의 동작 방식을 설명하기 위한 도면이고, 도 9 내지 도 11은 본 발명의 제1 실시 예에 있어서, 네거티브 전류 트래킹 제어에 따른 인덕터 전류와 부하 전류의 상관 관계를 동작 구간별로 설명하기 위한 도면이고, 도 12는 고정된 네거티브 인덕터 전류(fixed negative inductor current)를 사용하는 일반적인 스위칭 컨버터의 인덕터 전류 특성을 설명하기 위한 도면이고, 도 13은 네거티브 인덕터 전류 트래킹 제어(negative inductor current tracking control) 기능이 구비된 본 발명의 제2 실시 예에 따른 스위칭 컨버터의 인덕터 전류 특성을 설명하기 위한 도면이다.FIGS. 7 and 8 are diagrams for explaining the operation method of a negative current tracking controller (40) in embodiments of the present invention, FIGS. 9 to 11 are diagrams for explaining the correlation between an inductor current and a load current according to negative current tracking control for each operation section in a first embodiment of the present invention, FIG. 12 is a diagram for explaining the inductor current characteristics of a general switching converter using a fixed negative inductor current, and FIG. 13 is a diagram for explaining the inductor current characteristics of a switching converter equipped with a negative inductor current tracking control function according to a second embodiment of the present invention.
도 7 내지 도 13을 추가로 참조하면, 하나의 예로, 타이밍 제어기(430)는 제1 타임 윈도우에 해당하는 제1 구간 동안, 영전류 검출기(20)의 반전 단자에 인가되는 옵셋(30)을 증가시키도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 제1 타임 윈도우에 해당하는 제1 구간 동안, 인덕터의 피크 전류는 고정되고, 네거티브 인덕터 전류는 증가하게 된다.With additional reference to FIGS. 7 to 13, as an example, the timing controller (430) may be configured to increase an offset (30) applied to the inverting terminal of the zero current detector (20) during a first period corresponding to the first time window. According to this configuration, during the first period corresponding to the first time window, the peak current of the inductor is fixed and the negative inductor current increases.
이러한 구성을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.This configuration is described in more detail as follows:
도 9는 부하 전류가 감소하면서 인덕터의 피크 전류는 고정되어 있고, PWM 제어기(10)가 출력하는 PWM에 의한 리셋신호(RST)가 도 7의 구간 1에서 발생하여 옵셋(30)이 증가하면서 네거티브 인덕터 전류가 증가하는 것을 설명하는 도면이다. 부하 전류가 감소하면 도 5의 스위치 턴온 타임(switch turn-on time, 1), 즉, 도 3의 스위칭 트랜지스터(M1)가 턴온되는 타임이 감소하고, 스위칭 컨버터는 타이밍 제어기(430)에 의해 구간 1에 진입한다. 이때, 타이밍 제어기(430)는 옵셋 업(offset up) 동작을 수행하며, 옵셋 업(offset up) 동작은 타이밍 제어기(430)가 영전류 검출기(20)에 인가되는 옵셋(30)을 증가시키는 동작이다. 타이밍 제어기(430)에 의해 수행되는 옵셋 업(offset up) 동작에 의해, 영전류 검출기(20)는 영전류보다 더 낮은 레벨에서 네거티브 인덕터 전류를 검출한다.FIG. 9 is a diagram explaining that as the load current decreases, the peak current of the inductor is fixed, and the reset signal (RST) by the PWM output by the PWM controller (10) occurs in
다른 예로, 타이밍 제어기(430)는 제2 타임 윈도우에 해당하는 제2 구간 동안, 영전류 검출기(20)의 반전 단자에 인가되는 옵셋(30)을 고정시키도록 구성될 수 있다.As another example, the timing controller (430) may be configured to fix an offset (30) applied to the inverting terminal of the zero current detector (20) during a second period corresponding to the second time window.
이러한 구성에 따르면, 제2 타임 윈도우에 해당하는 제2 구간 동안, 인덕터의 피크 전류는 PWM 제어기(10)에 의한 PWM에 의해 결정되고, 네거티브 인덕터 전류는 고정되게 된다.According to this configuration, during the second period corresponding to the second time window, the peak current of the inductor is determined by PWM by the PWM controller (10), and the negative inductor current is fixed.
도 10은 구간 1상태에서 부하 전류가 증가할 때 네거티브 인덕터 전류는 고정되어 있고, PWM 제어기(10)가 출력하는 PWM에 의한 리셋신호(RST)가 도 7의 구간 2에서 발생하여 옵셋(30)이 증가 혹은 감소하지 않고 현재의 네거티브 인덕터 전류를 유지하면서 인덕터의 피크 전류만 증가하는 것을 설명하는 도면이다. 부하 전류가 증가하면 도 5의 스위치 턴온 타임(switch turn-on time, 1), 즉, 도 3의 스위칭 트랜지스터(M1)가 턴온되는 타임이 증가하고, 스위칭 컨버터는 타이밍 제어기(430)에 의해 구간 2에 진입한다. 이때, 타이밍 제어기(430)는 옵셋 업(offset up) 혹은 옵셋 다운(offset down) 동작을 수행하지 않으며, 영전류 검출기(20)에 인가되는 옵셋(30)의 크기는 변하지 않는다. 따라서, 구간 2에 진입하기 직전의 옵셋(30)이 유지되면서 영전류 검출기(20)가 영전류보다 더 낮은 레벨 또는 영전류 레벨에서 네거티브 인덕터 전류를 검출하고, 피크 전류만 증가한다.FIG. 10 is a drawing explaining that when the load current increases in
또 다른 예로, 타이밍 제어기(430)는 제2 타임 윈도우 이후의 제3 구간 동안, 영전류 검출기(20)의 반전 단자에 인가되는 옵셋(30)을 감소시키도록 구성될 수 있다.As another example, the timing controller (430) may be configured to reduce the offset (30) applied to the inverting terminal of the zero current detector (20) during a third period after the second time window.
이러한 구성에 따르면, 제3 구간 동안, 인덕터의 피크 전류는 PWM 제어기(10)에 의한 PWM에 의해 결정되고, 네거티브 인덕터 전류는 감소하게 된다.According to this configuration, during the third period, the peak current of the inductor is determined by the PWM by the PWM controller (10), and the negative inductor current decreases.
도 11은 부하 전류가 증가하여 PWM 제어기(10)가 출력하는 PWM에 의한 리셋신호(RST)가 도 7의 구간 2에서 구간 3으로 진입하여 옵셋(30)이 감소하면서 네거티브 인덕터 전류가 감소하고 영전류에 도달한 뒤 인덕터의 피크 전류가 증가하는 것을 설명하는 도면이다. 부하 전류가 증가하면 도 5의 스위치 턴온 타임(switch turn-on time, 1), 즉, 도 3의 스위칭 트랜지스터(M1)가 턴온되는 타임이 증가하고, 스위칭 컨버터는 타이밍 제어기(430)에 의해 구간 2에서 구간 3으로 진입한다. 이때, 타이밍 제어기(430)는 옵셋 다운(offset down) 동작을 수행한다. 옵셋 다운(offset down) 동작은 타이밍 제어기(430)가 영전류 검출기(20)에 인가되는 옵셋(30)을 감소시키는 동작이며, 타이밍 제어기(430)에 의해 수행되는 옵셋 다운(offset down) 동작에 의해, 네거티브 인덕터 전류가 감소한다. 영전류 검출기(20)에 입력되는 옵셋(30)이 영이 되면 네거티브 인덕터 전류가 발생하지 않고, 이 후부터는 부하 전류 증가에 따라 인덕터의 피크 전류가 상승한다.Fig. 11 is a diagram explaining that when the load current increases and the reset signal (RST) by PWM output by the PWM controller (10) enters from
도 2는 일반적인 부스트(Boost) 타입의 동기 스위칭 컨버터를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 부스트 타입의 스위칭 컨버터를 나타낸 도면이고, 도 5는 부스트 타입 스위칭 컨버터의 인덕터 전류 및 영전류 검출 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 부스트 타입의 스위칭 컨버터에 있어서, 네거티브 전류 트래킹 제어기(40)를 예시적으로 나타낸 도면이다.FIG. 2 is a drawing showing a general boost type synchronous switching converter, FIG. 4 is a drawing showing a boost type switching converter equipped with a negative current tracking control function according to a second embodiment of the present invention, FIG. 5 is a drawing for explaining the inductor current and zero current detection principles of a boost type switching converter, and FIG. 6 is a drawing showing an example of a negative current tracking controller (40) in a boost type switching converter equipped with a negative current tracking control function according to a second embodiment of the present invention.
도 2에 예시된 일반적인 부스트(Boost) 타입의 동기 스위칭 컨버터와 도 4에 예시된 본 발명의 제1 실시 예에 따른 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 부스트 타입의 스위칭 컨버터의 차이는 영전류 검출기(20)의 옵셋(30)을 가변적으로 조절하는 네거티브 전류 트래킹 제어기(40)에 있으며, 나머지 구성요소는 동일하다. 따라서, 이하에서는, 본 발명의 제2 실시 예에 초점을 맞춰 설명한다.The difference between the general boost type synchronous switching converter illustrated in Fig. 2 and the boost type switching converter equipped with a negative current tracking control function according to the first embodiment of the present invention illustrated in Fig. 4 lies in the negative current tracking controller (40) that variably adjusts the offset (30) of the zero current detector (20), and the remaining components are the same. Therefore, the following description focuses on the second embodiment of the present invention.
도 4, 도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 부스트 타입의 스위칭 컨버터는 인덕터(L), 스위칭 트랜지스터(M1), 정류 트랜지스터(M2), 출력 커패시터(Cout), PWM 제어기(10), 영전류 검출기(20) 및 네거티브 전류 트래킹 제어기(40)를 포함하여 구성된다.Referring to FIGS. 4, 5 and 6, a boost type switching converter equipped with a negative current tracking control function according to a second embodiment of the present invention is configured to include an inductor (L), a switching transistor (M1), a rectifier transistor (M2), an output capacitor (Cout), a PWM controller (10), a zero current detector (20) and a negative current tracking controller (40).
인덕터(L)의 일단은 입력전원에 연결되어 있고, 인덕터(L)의 타단은 스위칭 트랜지스터(M1)의 드레인과 정류 트랜지스터(M2)의 드레인에 공통 연결되어 있다.One end of the inductor (L) is connected to the input power supply, and the other end of the inductor (L) is commonly connected to the drain of the switching transistor (M1) and the drain of the rectifier transistor (M2).
스위칭 트랜지스터(M1)의 드레인은 인덕터(L)의 타단과 정류 트랜지스터(M2)의 드레인에 공통 연결되어 있고, 스위칭 트랜지스터(M1)의 소오스는 그라운드에 연결되어 있다.The drain of the switching transistor (M1) is commonly connected to the other end of the inductor (L) and the drain of the rectifier transistor (M2), and the source of the switching transistor (M1) is connected to ground.
정류 트랜지스터(M2)의 드레인은 스위칭 트랜지스터(M1)의 드레인과 인덕터(L)의 타단에 공통 연결되어 있고, 정류 트랜지스터(M2)의 소오스는 출력 커패시터(Cout)의 일단에 연결되어 있다.The drain of the rectifier transistor (M2) is commonly connected to the drain of the switching transistor (M1) and the other end of the inductor (L), and the source of the rectifier transistor (M2) is connected to one end of the output capacitor (Cout).
출력 커패시터(Cout)의 일단은 정류 트랜지스터(M2)의 소오스에 연결되어 있고, 출력 커패시터(Cout)의 타단은 그라운드에 연결되어 있다.One end of the output capacitor (Cout) is connected to the source of the rectifier transistor (M2), and the other end of the output capacitor (Cout) is connected to ground.
PWM 제어기(10)는 스위칭 트랜지스터(M1)의 게이트와 정류 트랜지스터(M2)의 게이트로 PWM 제어신호를 출력한다.The PWM controller (10) outputs a PWM control signal to the gate of the switching transistor (M1) and the gate of the rectifier transistor (M2).
도면 부호 D1은 PWM 제어기(10)가 출력하는 PWM 제어신호에 따라 스위칭 트랜지스터(M1)를 구동하는 스위칭 드라이버이고, 도면 부호 D2는 PWM 제어기(10)가 출력하는 PWM 제어신호에 따라 정류 트랜지스터(M2)를 구동하는 정류 드라이버이다.Drawing symbol D1 is a switching driver that drives a switching transistor (M1) according to a PWM control signal output by a PWM controller (10), and drawing symbol D2 is a commutation driver that drives a commutation transistor (M2) according to a PWM control signal output by a PWM controller (10).
영전류 검출기(20)는 인덕터(L)를 흐르는 인덕터 전류의 제로 크로싱(Zero Crossing)을 감지한다.The zero current detector (20) detects the zero crossing of the inductor current flowing through the inductor (L).
도 5의 예시를 참조하면, 스위칭 트랜지스터(M1)가 턴온되는 구간(1)에서 인덕터 전류는 상승하고, 스위칭 트랜지스터(M1)가 턴오프되고 정류 트랜지스터(M2)가 턴온되는 구간(2)에서 인덕터 전류는 하강하며, 이 구간에서 정류 트랜지스터(M2)의 턴온 시간에 따라 인덕터 전류의 제로 크로싱이 발생할 수 있다. 스위칭 트랜지스터(M1)와 정류 트랜지스터(M2)가 모두 턴오프되는 구간(3)에서 스위칭 트랜지스터(M1)의 바디 다이오드가 턴온되며, 인덕터 전류는 스위칭 트랜지스터(M1)의 바디 다이오드를 통하여 흐른다.Referring to the example of Fig. 5, in a section (1) in which the switching transistor (M1) is turned on, the inductor current increases, and in a section (2) in which the switching transistor (M1) is turned off and the rectifier transistor (M2) is turned on, the inductor current decreases, and in this section, a zero crossing of the inductor current may occur depending on the turn-on time of the rectifier transistor (M2). In a section (3) in which both the switching transistor (M1) and the rectifier transistor (M2) are turned off, the body diode of the switching transistor (M1) is turned on, and the inductor current flows through the body diode of the switching transistor (M1).
네거티브 전류 트래킹 제어기(40)는 영전류 검출기(20)의 옵셋(30)을 가변적으로 조절한다.The negative current tracking controller (40) variably adjusts the offset (30) of the zero current detector (20).
예를 들어, 도 6의 예시를 참조하면, 네거티브 전류 트래킹 제어기(40)는 제1 펄스 생성기(410), 제2 펄스 생성기(420) 및 타이밍 제어기(430)를 포함하여 구성될 수 있다.For example, referring to the example of FIG. 6, the negative current tracking controller (40) may be configured to include a first pulse generator (410), a second pulse generator (420), and a timing controller (430).
제1 펄스 생성기(410)는 입력되는 클럭에 따라 제1 타임 윈도우를 갖는 제1 펄스를 생성한다.The first pulse generator (410) generates a first pulse having a first time window according to an input clock.
제2 펄스 생성기(420)는 상기 클럭에 따라 제1 타임 윈도우보다 큰 제2 타임 윈도우를 갖는 제2 펄스를 생성한다.The second pulse generator (420) generates a second pulse having a second time window larger than the first time window according to the clock.
타이밍 제어기(430)는 PWM 제어기(10)로부터 입력받는 리셋신호를 모니터링하고, 제1 펄스 생성기(410)에 의해 생성된 제1 펄스의 제1 타임 윈도우와 제2 펄스 생성기(420)에 의해 생성된 제2 펄스의 제2 타임 윈도우를 비교하여 영전류 검출기(20)의 반전 단자에 인가되는 옵셋(30)을 가변적으로 변경함으로써 인덕터(L)를 흐르는 네거티브 인덕터 전류의 옵셋(30)의 증감 여부를 결정하여 네거티브 인덕터 전류를 트래킹한다.The timing controller (430) monitors a reset signal input from the PWM controller (10), compares the first time window of the first pulse generated by the first pulse generator (410) and the second time window of the second pulse generated by the second pulse generator (420), and variably changes the offset (30) applied to the inverting terminal of the zero current detector (20), thereby determining whether the offset (30) of the negative inductor current flowing through the inductor (L) increases or decreases, thereby tracking the negative inductor current.
이하에서는, 도 7 내지 도 13을 추가로 참조하여, 본 발명의 제2 실시 예에 적용되는 네거티브 전류 트래킹 제어기(40)의 구체적인 동작을 종래 기술과 대비하여 설명한다.Hereinafter, with additional reference to FIGS. 7 to 13, the specific operation of the negative current tracking controller (40) applied to the second embodiment of the present invention will be described in comparison with the prior art.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 있어서, 네거티브 전류 트래킹 제어기(40)의 동작 방식을 설명하기 위한 도면이고, 도 9 내지 도 11은 본 발명의 제2 실시 예에 있어서, 네거티브 전류 트래킹 제어에 따른 인덕터 전류와 부하 전류의 상관 관계를 동작 구간별로 설명하기 위한 도면이고, 도 12는 고정된 네거티브 인덕터 전류(fixed negative inductor current)를 사용하는 일반적인 스위칭 컨버터의 인덕터 전류 특성을 설명하기 위한 도면이고, 도 13은 네거티브 인덕터 전류 트래킹 제어(negative inductor current tracking control) 기능이 구비된 본 발명의 제2 실시 예에 따른 스위칭 컨버터의 인덕터 전류 특성을 설명하기 위한 도면이다.FIGS. 7 and 8 are diagrams for explaining the operation method of a negative current tracking controller (40) according to a second embodiment of the present invention, FIGS. 9 to 11 are diagrams for explaining the correlation between an inductor current and a load current according to negative current tracking control for each operation section according to a second embodiment of the present invention, FIG. 12 is a diagram for explaining the inductor current characteristics of a general switching converter using a fixed negative inductor current, and FIG. 13 is a diagram for explaining the inductor current characteristics of a switching converter equipped with a negative inductor current tracking control function according to a second embodiment of the present invention.
도 7 내지 도 13을 추가로 참조하면, 하나의 예로, 타이밍 제어기(430)는 제1 타임 윈도우에 해당하는 제1 구간 동안, 영전류 검출기(20)의 반전 단자에 인가되는 옵셋(30)을 증가시키도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 제1 타임 윈도우에 해당하는 제1 구간 동안, 인덕터의 피크 전류는 고정되고, 네거티브 인덕터 전류는 증가하게 된다.With additional reference to FIGS. 7 to 13, as an example, the timing controller (430) may be configured to increase an offset (30) applied to the inverting terminal of the zero current detector (20) during a first period corresponding to the first time window. According to this configuration, during the first period corresponding to the first time window, the peak current of the inductor is fixed and the negative inductor current increases.
이러한 구성을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.This configuration is described in more detail as follows:
도 9는 부하 전류가 감소하면서 인덕터의 피크 전류는 고정되어 있고, PWM 제어기(10)가 출력하는 PWM에 의한 리셋신호(RST)가 도 7의 구간 1에서 발생하여 옵셋(30)이 증가하면서 네거티브 인덕터 전류가 증가하는 것을 설명하는 도면이다. 부하 전류가 감소하면 도 5의 스위치 턴온 타임(switch turn-on time, 1), 즉, 도 3의 스위칭 트랜지스터(M1)가 턴온되는 타임이 감소하고, 스위칭 컨버터는 타이밍 제어기(430)에 의해 구간 1에 진입한다. 이때, 타이밍 제어기(430)는 옵셋 업(offset up) 동작을 수행하며, 옵셋 업(offset up) 동작은 타이밍 제어기(430)가 영전류 검출기(20)에 인가되는 옵셋(30)을 증가시키는 동작이다. 타이밍 제어기(430)에 의해 수행되는 옵셋 업(offset up) 동작에 의해, 영전류 검출기(20)는 영전류보다 더 낮은 레벨에서 네거티브 인덕터 전류를 검출한다.FIG. 9 is a diagram explaining that as the load current decreases, the peak current of the inductor is fixed, and the reset signal (RST) by the PWM output by the PWM controller (10) occurs in
다른 예로, 타이밍 제어기(430)는 제2 타임 윈도우에 해당하는 제2 구간 동안, 영전류 검출기(20)의 반전 단자에 인가되는 옵셋(30)을 고정시키도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 제2 타임 윈도우에 해당하는 제2 구간 동안, 인덕터의 피크 전류는 PWM 제어기(10)에 의한 PWM에 의해 결정되고, 네거티브 인덕터 전류는 고정되게 된다.As another example, the timing controller (430) may be configured to fix the offset (30) applied to the inverting terminal of the zero current detector (20) during a second period corresponding to the second time window. According to this configuration, during the second period corresponding to the second time window, the peak current of the inductor is determined by the PWM by the PWM controller (10), and the negative inductor current is fixed.
이러한 구성을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.This configuration is described in more detail as follows:
도 10은 구간 1 상태에서 부하 전류가 증가할 때 네거티브 인덕터 전류는 고정되어 있고, PWM 제어기(10)가 출력하는 PWM에 의한 리셋신호(RST)가 도 7의 구간 2에서 발생하여 옵셋(30)이 증가 혹은 감소하지 않고 현재의 네거티브 인덕터 전류를 유지하면서 인덕터의 피크 전류만 증가하는 것을 설명하는 도면이다. 부하 전류가 증가하면 도 5의 스위치 턴온 타임(switch turn-on time, 1), 즉, 도 3의 스위칭 트랜지스터(M1)가 턴온되는 타임이 증가하고, 스위칭 컨버터는 타이밍 제어기(430)에 의해 구간 2에 진입한다. 이때, 타이밍 제어기(430)는 옵셋 업(offset up) 혹은 옵셋 다운(offset down) 동작을 수행하지 않으며, 영전류 검출기(20)에 인가되는 옵셋(30)의 크기는 변하지 않는다. 따라서, 구간 2에 진입하기 직전의 옵셋(30)이 유지되면서 영전류 검출기(20)가 영전류보다 더 낮은 레벨 또는 영전류 레벨에서 네거티브 인덕터 전류를 검출하고, 피크 전류만 증가한다.FIG. 10 is a drawing explaining that when the load current increases in the
또 다른 예로, 타이밍 제어기(430)는 제2 타임 윈도우 이후의 제3 구간 동안, 영전류 검출기(20)의 반전 단자에 인가되는 옵셋(30)을 감소시키도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 제3 구간 동안, 인덕터의 피크 전류는 PWM 제어기(10)에 의한 PWM에 의해 결정되고, 네거티브 인덕터 전류는 감소하게 된다.As another example, the timing controller (430) may be configured to reduce the offset (30) applied to the inverting terminal of the zero current detector (20) during a third period after the second time window. According to this configuration, during the third period, the peak current of the inductor is determined by the PWM by the PWM controller (10), and the negative inductor current is reduced.
이러한 구성을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.This configuration is described in more detail as follows:
도 11은 부하 전류가 증가하여 PWM 제어기(10)가 출력하는 PWM에 의한 리셋신호(RST)가 도 7의 구간 2에서 구간 3으로 진입하여 옵셋(30)이 감소하면서 네거티브 인덕터 전류가 감소하고 영전류에 도달한 뒤 인덕터의 피크 전류가 증가하는 것을 설명하는 도면이다. 부하 전류가 증가하면 도 5의 스위치 턴온 타임(switch turn-on time, 1), 즉, 도 3의 스위칭 트랜지스터(M1)가 턴온되는 타임이 증가하고, 스위칭 컨버터는 타이밍 제어기(430)에 의해 구간 2에서 구간 3으로 진입한다. 이때, 타이밍 제어기(430)는 옵셋 다운(offset down) 동작을 수행한다. 옵셋 다운(offset down) 동작은 타이밍 제어기(430)가 영전류 검출기(20)에 인가되는 옵셋(30)을 감소시키는 동작이며, 타이밍 제어기(430)에 의해 수행되는 옵셋 다운(offset down) 동작에 의해, 네거티브 인덕터 전류가 감소한다. 영전류 검출기(20)에 입력되는 옵셋(30)이 영이 되면 네거티브 인덕터 전류가 발생하지 않고, 이 후부터는 부하 전류 증가에 따라 인덕터의 피크 전류가 상승한다.Fig. 11 is a diagram explaining that when the load current increases and the reset signal (RST) by PWM output by the PWM controller (10) enters from
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 스위칭 컨버터에 대한 불연속 전도 모드(Discontinuous Conduction Mode, DCM) 구동 동작의 무부하(no load) 및 경부하(light load) 구간에서 네거티브 인덕터 전류(negative inductor current)를 허용하고 레귤레이션(regulation)에 요구되는 네거티브 인덕터 전류를 효과적으로 제어하여 최소화함으로써 스위칭 컨버터의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.As described in detail above, according to the present invention, there is an effect of improving the efficiency of a switching converter by allowing negative inductor current in the no load and light load sections of a discontinuous conduction mode (DCM) driving operation for a switching converter and effectively controlling and minimizing the negative inductor current required for regulation.
또한, 펄스 스킨 기능(pulse skip function)을 사용할 수 없는 출력 리플(output ripple)에 민감(sensitive)한 어플리케이션(application)에서 고정된 네거티브 인덕터 전류(fixed negative inductor current) DCM 방식의 단점인 효율 감소를 개선할 수 있는 효과가 있다.In addition, it has the effect of improving the efficiency reduction, which is a disadvantage of the fixed negative inductor current DCM method, in applications sensitive to output ripple where the pulse skip function cannot be used.
또한, 입/출력 전압에 따라 DCM 동작을 위해 요구되는 최소한의 네거티브 인덕터 전류를 허용하는 네거티브 인덕터 전류 트래킹 제어(negative inductor current tracking control) 기능을 적용하여 인덕터 전류 리플(inductor current ripple)을 감소시키고 전체적인 스위칭 컨버터 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, by applying a negative inductor current tracking control function that allows the minimum negative inductor current required for DCM operation depending on the input/output voltage, it is possible to reduce inductor current ripple and improve the efficiency of the overall switching converter system.
보다 구체적으로, 스위칭 컨버터의 무부하 및 경부하 DCM 구동 영역에서 출력 레귤레이션을 위해 정류 트랜지스터(M2) 턴온 시 네거티브 인덕터 전류를 허용하고, 입력전압 및 부하 조건에 따라 요구되는 최소한의 네거티브 인덕터 전류를 트래킹할 수 있는 효과가 있다.More specifically, there is an effect of allowing negative inductor current when the rectifier transistor (M2) is turned on for output regulation in the no-load and light-load DCM driving region of the switching converter, and tracking the minimum negative inductor current required depending on the input voltage and load conditions.
또한, 고정된 네거티브 인덕터 전류를 허용하는 방식 대비 동일 부하에 대한 인덕터 전류 리플을 감소시킬 수 있어 인덕터 전도 손실(conduction loss) 및 교류 손실(ac loss) 감소를 통해 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, it has the effect of improving efficiency by reducing inductor conduction loss and AC loss by reducing inductor current ripple for the same load compared to a method that allows a fixed negative inductor current.
10: PWM(Pulse Width Modulation) 제어기
20: 영전류 검출기(Zero Current Detector, ZCD)
30: 옵셋(offet)
40: 네거티브 전류 트래킹 제어기
410: 제1 펄스 생성기
420: 제2 펄스 생성기
430: 타이밍 제어기
L: 인덕터
Cout: 출력 커패시터
M1: 스위칭 트랜지스터
M2: 정류 트랜지스터
D1: 스위칭 드라이버
D2: 정류 드라이버10: PWM(Pulse Width Modulation) Controller
20: Zero Current Detector (ZCD)
30: Offset
40: Negative current tracking controller
410: 1st pulse generator
420: Second pulse generator
430: Timing Controller
L: Inductor
Cout: Output capacitor
M1: Switching transistor
M2: Rectifier transistor
D1: Switching Driver
D2: Rectifier Driver
Claims (9)
드레인이 입력전원에 연결된 스위칭 트랜지스터;
드레인이 상기 스위칭 트랜지스터의 소오스에 연결되고 소오스가 그라운드에 연결된 정류 트랜지스터;
일단이 상기 스위칭 트랜지스터의 소오스와 상기 정류 트랜지스터의 드레인에 공통 연결된 인덕터;
일단이 상기 인덕터의 타단에 연결되고 타단이 그라운드에 연결된 출력 커패시터;
상기 스위칭 트랜지스터의 게이트와 상기 정류 트랜지스터의 게이트로 PWM 제어신호를 출력하는 PWM 제어기;
상기 인덕터를 흐르는 인덕터 전류의 제로 크로싱(Zero Crossing)을 감지하는 영전류 검출기; 및
상기 영전류 검출기의 옵셋을 가변적으로 조절하는 네거티브 전류 트래킹 제어기를 포함하는, 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 스위칭 컨버터.
A buck type switching converter equipped with negative current tracking control function.
A switching transistor with its drain connected to the input power supply;
A rectifier transistor having its drain connected to the source of the switching transistor and its source connected to ground;
First, an inductor commonly connected to the source of the switching transistor and the drain of the rectifying transistor;
An output capacitor having one end connected to the other end of the inductor and the other end connected to ground;
A PWM controller that outputs a PWM control signal to the gate of the switching transistor and the gate of the rectifying transistor;
A zero current detector for detecting the zero crossing of the inductor current flowing through the inductor; and
A switching converter having a negative current tracking control function, comprising a negative current tracking controller that variably adjusts an offset of the above zero current detector.
일단이 입력전원에 연결된 인덕터;
드레인이 상기 인덕터의 타단에 연결되고 소오스가 그라운드에 연결된 스위칭 트랜지스터;
드레인이 상기 스위칭 트랜지스터의 드레인과 상기 인덕터의 타단에 공통 연결된 정류 트랜지스터;
일단이 상기 정류 트랜지스터의 소오스에 연결되고 타단이 그라운드에 연결된 출력 커패시터;
상기 스위칭 트랜지스터의 게이트와 상기 정류 트랜지스터의 게이트로 PWM 제어신호를 출력하는 PWM 제어기;
상기 인덕터를 흐르는 인덕터 전류의 제로 크로싱(Zero Crossing)을 감지하는 영전류 검출기; 및
상기 영전류 검출기의 옵셋을 가변적으로 조절하는 네거티브 전류 트래킹 제어기를 포함하는, 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 스위칭 컨버터.
A boost type switching converter with negative current tracking control function.
First, an inductor connected to the input power supply;
A switching transistor having its drain connected to the other terminal of the inductor and its source connected to ground;
A rectifier transistor having a drain commonly connected to the drain of the switching transistor and the other terminal of the inductor;
An output capacitor having one end connected to the source of the above rectifier transistor and the other end connected to ground;
A PWM controller that outputs a PWM control signal to the gate of the switching transistor and the gate of the rectifying transistor;
A zero current detector for detecting the zero crossing of the inductor current flowing through the inductor; and
A switching converter having a negative current tracking control function, comprising a negative current tracking controller that variably adjusts an offset of the above zero current detector.
상기 네거티브 전류 트래킹 제어기는,
입력되는 클럭에 따라 제1 타임 윈도우를 갖는 제1 펄스를 생성하는 제1 펄스 생성기;
상기 클럭에 따라 상기 제1 타임 윈도우보다 큰 제2 타임 윈도우를 갖는 제2 펄스를 생성하는 제2 펄스 생성기; 및
상기 PWM 제어기로부터 입력받는 리셋신호를 모니터링하고, 상기 제1 펄스의 제1 타임 윈도우와 상기 제2 펄스의 제2 타임 윈도우를 비교하여 상기 영전류 검출기의 반전 단자에 인가되는 옵셋을 가변적으로 변경함으로써 상기 인덕터를 흐르는 네거티브 인덕터 전류의 옵셋의 증감 여부를 결정하여 상기 네거티브 인덕터 전류를 트래킹하는 타이밍 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 스위칭 컨버터.
In paragraph 1 or 2,
The above negative current tracking controller,
A first pulse generator generating a first pulse having a first time window according to an input clock;
a second pulse generator generating a second pulse having a second time window greater than the first time window according to the clock; and
A switching converter having a negative current tracking control function, characterized in that it includes a timing controller that monitors a reset signal input from the PWM controller, compares a first time window of the first pulse and a second time window of the second pulse, and variably changes an offset applied to an inverting terminal of the zero current detector to determine whether an offset of the negative inductor current flowing through the inductor increases or decreases, thereby tracking the negative inductor current.
상기 타이밍 제어기는,
상기 제1 타임 윈도우에 해당하는 제1 구간 동안, 상기 영전류 검출기의 반전 단자에 인가되는 옵셋을 증가시키는 것을 특징으로 하는, 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 스위칭 컨버터.
In the third paragraph,
The above timing controller,
A switching converter having a negative current tracking control function, characterized in that an offset applied to an inverting terminal of the zero current detector is increased during a first section corresponding to the first time window.
상기 제1 타임 윈도우에 해당하는 제1 구간 동안, 상기 인덕터의 피크 전류는 고정되고, 상기 네거티브 인덕터 전류는 증가하는 것을 특징으로 하는, 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 스위칭 컨버터.
In paragraph 4,
A switching converter having a negative current tracking control function, characterized in that during a first period corresponding to the first time window, the peak current of the inductor is fixed and the negative inductor current increases.
상기 타이밍 제어기는,
상기 제2 타임 윈도우에 해당하는 제2 구간 동안, 상기 영전류 검출기의 반전 단자에 인가되는 옵셋을 고정시키는 것을 특징으로 하는, 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 스위칭 컨버터.
In paragraph 4,
The above timing controller,
A switching converter having a negative current tracking control function, characterized in that an offset applied to an inverting terminal of the zero current detector is fixed during a second period corresponding to the second time window.
상기 제2 타임 윈도우에 해당하는 제2 구간 동안, 상기 인덕터의 피크 전류는 상기 PWM 제어기에 의한 PWM에 의해 결정되고, 상기 네거티브 인덕터 전류는 고정되는 것을 특징으로 하는, 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 스위칭 컨버터.
In Article 6,
A switching converter having a negative current tracking control function, characterized in that during a second period corresponding to the second time window, the peak current of the inductor is determined by a PWM by the PWM controller, and the negative inductor current is fixed.
상기 타이밍 제어기는,
상기 제2 타임 윈도우 이후의 제3 구간 동안, 상기 영전류 검출기의 반전 단자에 인가되는 옵셋을 감소시키는 것을 특징으로 하는, 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 스위칭 컨버터.
In Article 6,
The above timing controller,
A switching converter having a negative current tracking control function, characterized in that an offset applied to the inverting terminal of the zero current detector is reduced during a third period after the second time window.
상기 제3 구간 동안, 상기 인덕터의 피크 전류는 상기 PWM 제어기에 의한 PWM에 의해 결정되고, 상기 네거티브 인덕터 전류는 감소하는 것을 특징으로 하는, 네거티브 전류 트래킹 제어 기능이 구비된 스위칭 컨버터.
In Article 8,
A switching converter having a negative current tracking control function, characterized in that during the third period, the peak current of the inductor is determined by PWM by the PWM controller, and the negative inductor current decreases.
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